KR20170100355A - 배터리 팩 - Google Patents

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Abstract

다양한 실시예들에 따른 배터리 팩이 제공된다. 상기 배터리 팩은 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리, 충전 및 방전 전류가 흐르는 대전류 경로상에 배치되는 충전 스위치 및 방전 스위치를 포함하는 스위치 부 및 상기 배터리의 전압 및 전류를 모니터링하고, 상기 배터리의 전압에 기초하여 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하기 위해 상기 충전 스위치 및 상기 방전 스위치에 제1 구동 신호를 출력하는 배터리 관리부, 및 상기 배터리 관리부의 제어 신호에 따라 상기 충전 스위치를 구동하기 위한 제2 구동 신호를 출력하는 스위치 구동부를 포함하고, 상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 열화 정도에 기초하여 충전 전류 한계량을 설정하고, 상기 배터리의 충전 전류의 크기가 상기 충전 전류 한계량 이하가 되도록 상기 스위치 구동부를 이용하여 상기 충전 스위치를 제어할 수 있습니다.

Description

배터리 팩 {Battery pack}
본 발명의 실시 예들은 배터리 팩에 관한 것이다.
휴대용 전자기기, 예를 들어 휴대폰, 디지털 카메라, 노트북 등이 널리 사용됨에 따라서 이들 휴대용 전자기기를 동작시키기 위한 전원을 공급하는 배터리의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 배터리는 배터리의 충전 및 방전을 제어하는 보호회로와 함께 배터리 팩 형태로 제공되며, 배터리를 효율적으로 충전하기 위한 충전 방법 및 장치에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다.
열화가 진행되면 배터리 만충전량(FCC)가 감소하여 고정된 크기의 전류로 배터리를 충전하면 배터리의 충전 속도(C-Rate)가 증가하고, 충전시 배터리의 발열도 점차 심해지는 문제가 있다. 한편, 출력 전류의 크기를 제어할 수 있는 스마트 충전기도 이용되고 있으나, 배터리 팩과 통신하여 배터리의 상태를 수신받고 전류의 크기를 정밀하게 제어하기 위한 별도의 장치를 포함하여, 배터리 충전기의 가격상승 및 호환성 등에 문제가 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 출력 전류가 고정된 충전기로 충전해도 배터리의 열화 정도를 고려하여 충전 전류의 크기를 제어할 수 있는 구성을 포함하는 배터리 팩을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 배터리 팩은, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리, 충전 및 방전 전류가 흐르는 대전류 경로상에 배치되는 충전 스위치 및 방전 스위치를 포함하는 스위치 부 및 상기 배터리의 전압 및 전류를 모니터링하고, 상기 배터리의 전압에 기초하여 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하기 위해 상기 충전 스위치 및 상기 방전 스위치에 제1 구동 신호를 출력하는 배터리 관리부, 및 상기 배터리 관리부의 제어 신호에 따라 상기 충전 스위치를 구동하기 위한 제2 구동 신호를 출력하는 스위치 구동부를 포함하고, 상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 열화 정도에 기초하여 충전 전류 한계량을 설정하고, 상기 배터리의 충전 전류의 크기가 상기 충전 전류 한계량 이하가 되도록 상기 스위치 구동부를 이용하여 상기 충전 스위치를 제어한다.
상기 배터리 팩의 일 예에 따르면, 상기 배터리 관리부는 상기 배터리가 열화될수록 상기 배터리의 충전 전류 한계량을 감소시킬 수 있다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 충전 전류의 크기에 따라 가변하는 듀티비를 갖는 펄스 폭 변조 신호를 상기 제어 신호로서 상기 스위치 구동 제어부에 출력할 수 있다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 충전 전류의 크기가 상기 충전 전류 한계량을 초과하면 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티비를 감소시키고, 상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 충전 전류의 크기가 상기 충전 전류 한계량보다 작으면 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티비를 증가시킬 수 있다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 관리부는 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티비가 100%에 도달하면, 상기 충전 스위치를 턴 온 시키기 위한 턴 온 신호를 상기 제1 구동 신호로서 출력하고, 상기 스위치 구동부가 하이-임피던스(hi-Z) 상태의 상기 제2 구동 신호를 출력하도록 상기 스위치 구동부를 제어할 수 있다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 관리부는 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티비가 100% 미만인 경우, 하이-임피던스(hi-Z) 상태의 상기 제1 구동 신호를 출력하고, 상기 스위치 구동부가 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티비에 대응하는 듀티비를 갖는 상기 제2 구동 신호를 출력하도록 상기 스위치 구동부를 제어할 수 있다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 관리부는, 상기 배터리의 전압 및 전류를 감지하고, 상기 충전 스위치 및 상기 방전 스위치에 제1 구동 신호를 출력하는 아날로그 프론트 엔드 및 상기 배터리의 전압 및 전류에 기초하여, 상기 아날로그 프론트 엔드 및 상기 스위치 구동부를 제어하는 마이크로 프로세서 유닛을 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 관리부는 상기 배터리가 열화되더라도 상기 배터리의 충전 속도(C-rate)가 기준 충전 속도를 초과하지 않도록 상기 배터리의 충전 전류 한계량을 설정할 수 있다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 만충전량(FCC)에 기초하여 상기 배터리의 열화 정도를 결정할 수 있다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 배터리의 충전 전류 한계량은 상기 배터리의 만충전량(FCC)에 비례할 수 있다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 충방전 사이클 횟수에 기초하여 상기 열화 정도를 결정할 수 있다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 팩은 상기 배터리의 온도를 감지하는 온도 센서를 포함할 수 있다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 열화 정도 및 상기 배터리의 온도에 기초하여 상기 충전 전류 한계량을 설정할 수 있다.
상기 배터리 팩의 다른 예에 따르면, 상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 온도가 상온일 때 상기 충전 전류 한계량을 제1 기준값으로 설정하고, 상기 배터리의 온도가 제1 임계 온도와 제2 임계 온도 사이일 때 상기 충전 전류 한계량을 제2 기준값으로 설정하며, 상기 제2 기준값은 상기 배터리의 열화 정도에 기초하여 설정되는 상기 제1 기준값에 종속적으로 결정될 수 있다.
본 발명의 다양한 실시 예들에 따르면, 고정된 크기의 출력을 갖는 충전기의 출력 전류가 인가되어도, 배터리 팩은 배터리의 열화 정도에 따라 배터리의 충전 전류의 크기를 제어할 수 있다. 배터리의 열화가 진행되어도 일정한 충전 속도로 충전할 수 있어 배터리의 장수명에 기여할 수 있고, 보편적인 충전기로도 안정적으로 배터리를 충전할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 팩 내부의 개략적인 구성을 도시한다.
도 2는 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩 내부의 개략적인 구성을 도시한다.
도 3은 아날로그 프론트 엔드의 제1 구동 신호 및 스위치 구동부의 제2 구동 신호의 패턴을 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 4는 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩 내부의 개략적인 구성을 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따른 배터리 팩의 동작 방법에 따른 배터리의 충전 전류 및 온도를 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 6는 일 실시예에 따른 배터리 팩의 동작 방법에 따른 배터리의 용량과 충전 속도(C-Rate)를 예시적으로 나타낸 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
예를 들어, 본 명세서에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 일 실시 예로부터 다른 실시 예로 변경되어 구현될 수 있다. 또한, 각각의 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치도 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 행하여지는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위의 청구항들이 청구하는 범위 및 그와 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 구성요소를 나타낸다. 즉 설명된 특정 세부사항들은 단순한 예시이다. 특정 구현들은 이러한 예시적인 세부사항들로부터 변할 수 있고, 본 발명의 정신 및 범위 내에서 계속 고려될 수 있다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 배터리 팩 내부의 개략적인 구성을 도시한다.
도 1을 참조하면, 배터리 팩(10)은 배터리(20), 배터리 관리부(203), 스위치 부(200), 스위치 구동부(301)를 포함한다.
배터리(20)는 전력을 저장하는 부분으로서, 적어도 하나의 배터리 셀(21)을 포함한다. 배터리(20)에 하나의 배터리 셀(21)이 포함되거나, 배터리(20)에는 복수의 배터리 셀(21)들이 포함될 수 있으며, 배터리 셀(21)들은 직렬로 연결되거나, 병렬로 연결되거나, 또는 직렬과 병렬의 조합으로 연결될 수 있다. 배터리(20)에 포함되는 배터리 셀(21)들의 개수 및 연결 방식은 요구되는 출력 전압 및 전력 저장 용량에 따라서 결정될 수 있다.
배터리 셀(21)은 충전이 가능한 이차 전지를 포함할 수 있다. 예컨대, 배터리 셀(21)은 니켈-카드뮴 전지(nickel-cadmium battery), 납 축전치, 니켈-수소 전지(NiMH: nickel metal hydride battery), 리튬-이온 전지(lithium ion battery), 리튬 폴리머 전지(lithium polymer battery) 등을 포함할 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
배터리 관리부(203)는 배터리(20)를 보호하기 위해 스위치 부(200)를 제어한다. 배터리 관리부(203)는 스위치 부(200)를 이용하여 배터리로 유입되거나 유출되는 전류의 흐름을 제어할 수 있다. 예컨대, 배터리 관리부(203)는 과충전 보호 기능, 과방전 보호 기능, 과전류 보호 기능, 과전압 보호 기능, 과열 보호 기능, 셀 밸런싱(cell balancing) 기능 등을 수행할 수 있다.
배터리 관리부(203)는 배터리(20)의 전류, 전압, 온도, 잔여 전력량, 수명, 충전 상태(State of Charge, SOC)등을 얻을 수 있다. 예컨대, 배터리 관리부(203)는 센서들을 이용하여 배터리 셀(21)의 셀 전압 및 온도를 측정할 수 있다.
배터리(20)에 과충전, 과방전, 과전류, 및 고온 등과 같은 이상 상황이 발생하였음을 감지하는 경우, 배터리 관리부(203)는 충전 스위치(201) 및/또는 방전 스위치(202)를 개방하여 배터리(20)를 보호할 수 있다. 배터리 관리부(203)는 충전 스위치(201) 및/또는 방전 스위치(202)를 제어하기 위한 제어 신호를 출력할 수 있다.
배터리 관리부(203)는 배터리(20)에 인가되는 충전기의 출력 전류를 제어하기 위해 스위치 구동부(301)에 제어신호를 인가한다. 스위치 구동부(301)는 배터리 관리부(203)로부터 인가된 제어신호를 기초로 제2 구동 신호(CS2)를 출력하여 충전 스위치(201)에 인가하는데, 구체적인 것은 아래에서 상세히 설명한다.
제2 구동 신호(CS2)는 스위치 구동부(301)가 충전 스위치(201)를 제어하기 위한 신호로, 배터리 관리부(203)가 인가한 제어신호를 기초로 제2 구동 신호(CS2)를 출력한다. 제2 구동 신호(CS2)는 배터리에 인가되는 충전 전류의 크기를 조절하기 위해 충전 스위치(201)에 인가된다.
일 실시예에 따르면, 배터리 관리부(203)는 배터리(20)의 개로 전압(open circuit voltage)과 전류값 등을 통해 배터리(20)의 열화 정도를 판단할 수 있다. 배터리 관리부(203)는 판단된 배터리(20) 열화 정도를 기초로 배터리(20)에 인가되는 충전 전류 한계량을 설정한다. 상기 충전 전류 한계량은 배터리(10)를 충전하는데 허용되는 단위 시간 당 최대 전류량에 대한 것으로, 배터리 관리부(203)는 배터리에 인가되는 충전 전류의 크기를 제어하여 상기 충전 전류 한계량을 초과하지 않도록 한다. 상기 충전 전류 한계량은 지속적으로 배터리(20)의 열화의 진행 정도를 고려해 재설정된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배터리 관리부(203)는 제 구동 신호(CS1)를 통해 스위치 부(200)를 직접 제어할 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 관리부(203)는 배터리(20)로 인가되는 충전 전류의 크기가 상기 충전 전류 한계량을 초과하는지 판단한다. 상기 충전 전류 한계량을 초과하는 충전 전류라면, 배터리 관리부(203)는 스위치 구동부(301)가 제2 구동 신호(CS2)를 출력하도록 한다.
스위치 구동부(301)는 레벨 시프팅 회로이거나 푸쉬-풀(Push-Pull)회로 등으로 구성될 수 있다. 스위치 구동부(301)는 배터리 관리부(203)의 제어신호를 인가 받는다. 스위치 구동부(301)는 배터리 관리부(203)의 제어신호를 특정 레벨의 제2 구동 신호(CS2)가 되도록 변환할 수 있다. 즉, 스위치 구동부(301)는 인가 받은 제어신호를 기초로 충전 스위치(201)를 구동시킬 수 있는 제2 구동 신호(CS2)를 충전 스위치(201)에 인가될 수 있다. 충전 스위치(201)가 제2 구동 신호(CS2)를 인가 받으면, 충전 스위치(201)는 제2 구동 신호(CS2)의 레벨 천이에 따라 반복적으로 턴 온/턴 오프된다. 배터리(20)에 인가되는 충전 전류의 크기는 충전 스위치(201)가 턴 온되는 시간 동안에 충전 스위치(201)에 흐르는 전류량에 따라 달라진다. 도 1에서는 스위치 구동부(301)가 배터리 관리부(203)와 별도로 설치된 것으로 도시하였으나, 이는 예시적인 것으로 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 스위치 구동부(301)는 충전 스위치(201)를 제어하여 배터리(20)에 인가되는 전류의 크기를 조절할 수 있는 어떤 위치에라도 위치할 수 있다.
스위치 부(200)는 배터리(20)와 팩 단자(P+) 사이의 충전 전류 및 방전 전류가 흐르는 대전류 경로상에 배치된다. 스위치 부(200)는 스위치 구동부(301)의 제2 구동 신호(CS2) 또는 배터리 관리부(203)의 제1 구동 신호(CS1)에 의해 배터리(20)의 충전 및 방전을 차단할 수 있다. 스위치 부(200)는 트랜지스터 또는 릴레이로 구성될 수 있다. 스위치 부(200)는 각각 트랜지스터로 구성되는 방전 스위치(202)와 충전 스위치(201)를 포함할 수 있다.
충전 스위치(201)는 스위치 구동부(301)의 제2 구동 신호(CS2)를 입력 받고, 상기 제2 구동 신호(CS2)에 따라 턴 온/턴 오프를 반복적으로 수행한다. 충전 스위치(201)는 턴 온/턴 오프가 주기적으로 반복되면서, 한 주기의 시간 동안 충전 스위치(201)가 턴 온되는 시간의 비율에 비례하는 전류량이 배터리(20)에 인가된다. 상기 전류량은 배터리 관리부(203)의 제어에 의해 상기 충전 전류 한계량 이하의 값을 갖는다.
일 실시예에 따르면, 배터리 관리부(203)는 배터리(20)의 전류/전압 정보를 얻어 배터리(20)의 열화 정도를 계산한다. 배터리 관리부(203)는 계산된 열화 정도를 기초로 배터리(20)에 인가되는 상기 충전 전류 한계량을 설정한다. 배터리(20)는 열화가 진행될수록 배터리의 만충전량(FCC)이 감소하므로, 배터리 관리부(203)는 배터리(20)의 만충전량(FCC)의 감소에 따라 상기 충전 전류 한계량을 낮춰서 설정할 수 있다. 이 경우, 배터리 관리부(203)는 배터리(20)의 열화 정도를 고려하여 배터리(20)에 인가되는 충전 전류량을 제어하므로, 배터리(20)의 과도한 발열이 방지될 수 있다. 또한 충전기가 배터리 팩(10)과 통신하지 않더라도 배터리(20)에 인가되는 충전 전류의 크기를 제어할 수 있다.
일 실시예에 따라면, 배터리 팩(10)이 고정된 출력 전류의 크기를 갖는 충전기와 연결되고 상기 출력 전류의 크기가 상기 충전 전류 한계량 초과하는 경우, 배터리 관리부(203)는 설정된 상기 충전 전류 한계량 이하의 충전 전류가 배터리(20)에 인가되도록 스위치 구동부(301)를 이용하여 충전 스위치(201)를 제어한다. 스위치 구동부(301)는 배터리 관리부(203)의 제어에 따라 제2 구동 신호(CS2)를 출력하여 충전 스위치(201)에 인가한다. 제2 구동 신호(CS2)에 따라 충전 스위치(201)는 턴 온과 턴 오프를 반복하고, 배터리 관리부(203)는 한 주기 당 충전 스위치(201)가 턴 온되는 시간의 비율을 조절하여 배터리(20)로 인가되는 충전 전류의 크기를 제어할 수 있다.
이와 달리, 배터리(20)의 열화 정도를 고려하지 않고 고정된 충전 전류의 크기를 배터리(20)에 인가하는 경우, 배터리(20)의 열화가 진행될수록 배터리(20)의 발열이 심해진다. 배터리(20)는 열화가 진행되면 배터리(20)의 만충전량(FCC)이 감소하고, 만충전량(FCC)이 감소되어도 고정된 크기의 충전 전류가 계속 인가되면 배터리(20)의 충전 속도(C-Rate)는 증가하기 때문이다. 배터리(20)의 발열이 심해지면 배터리(20)의 열화의 진행이 더욱 가속화될 수 있다. 결국 배터리(20)의 열화 정도를 고려하지 않고 상기 충전부의 고정된 출력 전류를 배터리(20)에 인가하는 것은 배터리(20)의 장수명 달성을 어렵게 할 수 있다. 또한 배터리 팩(10)과 통신하여 배터리(20)의 열화상태에 따라 출력 전류를 조절하는 스마트 충전기를 이용할 경우, 충전기의 가격상승 또는 배터리 팩(10)과의 호환성 등의 문제가 발생할 수 있다.
도 2는 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩 내부의 개략적인 구성을 도시한다.
도 2를 참조하면, 배터리 팩(10a)은 배터리(20), 스위치 부(200a), 스위치 구동부(301), 배터리 관리부(203)를 포함한다. 배터리(20)는 도 1의 배터리(20)와 대응하므로 반복하여 설명하지는 않는다.
배터리 관리부(203)는 마이크로 컨트롤 유닛(213)과 아날로그 프론트 엔드(211)를 포함한다. 아날로그 프론트 엔드(211)는 AFE(Analog Front End)로 표현되기도 한다.
충전 스위치(201a)와 방전 스위치(202a)는 모스펫(MOSFET)으로 구성할 수 있다. 충전 스위치(201a) 및 방전 스위치(202a)의 드레인과 소스가 배터리의 대전류 경로상에 배치된다. 충전 스위치(201a)의 게이트는 아날로그 프론트 엔드(211) 및 스위치 구동부(301)와 전기적으로 연결되어 제어신호가 인가된다. 방전 스위치(202a)의 게이트는 아날로그 프론트 엔드(211)와 전기적으로 연결되어 제어신호가 인가된다.
한편, 충전 스위치(201a)의 기생 다이오드(미도시)는 배터리(20)의 방전 전류가 흐르는 방향(배터리(20)의 양극 단자로부터 팩 단자(P+)로 향하는 방향)이 순방향이 되도록 배치된다. 충전 스위치(201a)가 오프되면, 배터리(20)의 충전 전류가 차단된다. 방전 스위치(202)의 기생 다이오드(미도시)는 배터리(20)의 충전 전류가 흐르는 방향(팩 단자(P+)로부터 배터리(20)의 양극으로 향하는 방향)이 순방향이 되도록 배치된다. 방전 스위치(202a)가 오프되면, 배터리(20)의 방전 전류가 차단된다. 한편, 도 2에 P형 모스펫(MOSFET)으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 N형 모스펫(MOSFET) 등으로 구성할 수도 있다.
아날로그 프론트 엔드(211)는 배터리 셀의 양극과 음극에 각각 전기적으로 연결된다. 또한 아날로그 프론트 엔드(211)는 충전 스위치(201a)의 게이트 및 방전 스위치(202a)의 게이트와 전기적으로 연결된다. 아날로그 프론트 엔드(211)는 배터리(20)의 전압과 전류를 감지하고 이를 디지털 데이터로 변환하여 마이크로 컨트롤 유닛(213)에 출력하는 역할을 한다. 배터리로 유출입되는 전류의 크기는 센서저항(217)을 이용하여 감지한다. 더불어, 이러한 아날로그 프론트 엔드(211)는 상기 마이크로 컨트롤 유닛(213)으로부터의 소정 제어 신호를 입력 받아 스위치 부(200a)를 턴 온 또는 턴 오프시킨다.
마이크로 컨트롤 유닛(213)은 마이크로 프로세서(미도시)와 마이크로 프로세서와 전기적으로 연결되는 수동소자(미도시), 능동소자(미도시) 및 메모리(미도시)를 포함하여 형성된다. 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 아날로그 프론트 엔드(211)와 전기적으로 연결되어 배터리(20)의 개로 전압 정보를 입력 받고, 배터리(20)의 개로전압을 검출한다. 또한, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 아날로그 프론트 엔드(211)에 제어 신호를 출력하여 스위치 부(200a)를 턴 온/턴 오프시킬 수 있다. 또한 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 배터리(20)의 충/방전시 흐르는 전류를 계산할 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 내부 알고리즘에 의해 배터리(20)의 열화 상태를 판정할 수 있다. 배터리(20)는 사용시간과 사용환경에 의해 열화가 진행되고, 열화가 진행된 배터리(20)는 출력 전압이나 충전량이 바뀌게 된다. 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 배터리(20)의 열화정도에 맞추어 적절한 충전 전류/전압을 설정할 수 있다. 구체적으로, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 판정된 열화 상태를 기초하여 배터리(20)에 인가되는 상기 충전 전류 한계량을 설정할 수 있다. 열화 정도를 고려하여 상기 충전 전류 한계량을 설정하여 배터리(20)를 충전할 때 발생하는 과도한 발열을 방지 또는 완화할 수 있다.
마이크로 컨트롤 유닛(213)은 펄스 폭 변조 신호(PWM)를 발생시킨다. 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 펄스 폭 변조 신호(PWM)를 스위치 구동부(301)에 인가한다. 스위치 구동부(301)는 인가받은 펄스 폭 변조 신호(PWM)를 레벨 시프팅 또는 증폭시킨다. 상기 레벨 시프팅 또는 증폭된 펄스 폭 변조 신호는 제2 구동 신호(CS2)로써 충전 스위치(201a)의 게이트에 인가된다. 이 경우, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 상기 펄스 폭 변조 신호(PWM)의 듀티비를 조정하여 배터리(20)로 인가되는 충전 전류의 크기를 제어할 수 있다. 한편, 도 2에 도시된 충전 스위치(201a)는 P형 모스펫(MOSFET)으로, 제2 구동 신호(CS2)의 전압 레벨이 로우 레벨일 때 충전 스위치(201a)는 턴 온되고 하이 레벨일 때 충전 스위치(201a)는 턴 오프된다.
구체적으로, 제2 구동 신호(CS2)의 펄스 폭 변조 신호(PWM)에 따라 충전 스위치(201a)는 턴 온/턴 오프의 반복한다. 반복 간격과 반복 주기에 따라 배터리에 인가되는 충전 전류량을 제어할 수 있다. 상기 반복 간격 및 반복 주기는 듀티비에 따라 달라진다. 듀티비는 1주기의 시간 동안에 충전 스위치(201a)가 턴 온되는 시간의 비율을 나타낼 수 있다. 이 경우 듀티비가 감소하면 충전 스위치(201a)의 턴 온되는 시간의 비율이 낮아져 배터리(20)로 인가되는 충전 전류량이 감소하게 된다. 반대로 듀티비가 증가하면 충전 스위치(201a)의 턴 온되는 시간의 비율이 높아져 배터리(20)로 인가되는 충전 전류량이 증가하게 된다.
마이크로 컨트롤 유닛(213)은 배터리(20)에 인가되는 충전 전류와 상기 충전 전류 한계량을 비교 판단한다. 비교 결과, 상기 충전 전류가 상기 충전 전류 한계량을 초과하면 상기 펄스 폭 변조 신호(PWM)의 듀티비를 감소시킨다. 또는 상기 충전 전류가 상기 충전 전류 한계량 이하의 값을 갖는다면 상기 펄스 폭 변조 신호(PWM)의 듀티비를 증가시킨다. 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 이처럼 듀티비를 조절하여 배터리920)에 인가되는 충전 전류의 크기를 상기 충전 전류 한계량 이하의 값이 되도록 제어한다.
마이크로 컨트롤 유닛(213)은 배터리(20)에 인가되는 충전 전류의 크기와 상기 충전 전류 한계량을 비교한다. 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 배터리(20)의 충전 전류의 크기가 상기 충전 전류 한계량 초과여부에 따라 충전 스위치(201a)를 제어하는 주체를 달리한다. 예를 들어, 상기 충전 전류의 크기를 제어할 필요가 있는 경우, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 스위치 구동부(301)에 펄스 폭 변조 신호(PWM)를 인가할 수 있다. 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 상기 펄스 폭 변조 신호(PWM)의 듀티비를 조절하여 상기 충전 전류 한계량 이하의 충전 전류가 흐르도록 제어할 수 있다. 한편, 배터리에 인가되는 충전 전류의 크기를 제어하지 않아도 되는 경우, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 아날로그 프론트 엔드(211)에 제어신호를 인가한다.
일 실시예에 따르면, 배터리 팩(10a)에 충전기가 연결되면, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 배터리(20)를 보호하기 위해 낮은 충전전류가 흐르도록 낮은 듀티비를 갖는 펄스 폭 변조 신호(PWM)를 스위치 구동부(301)에 인가된다. 스위치 구동부(301)는 인가 받은 펄스 폭 변조 신호(PWM)를 기초로 생성된 제2 구동 신호(CS2)를 충전 스위치(201a)의 게이트에 인가한다. 배터리(20)에 인가되는 충전 전류의 크기가 상기 충전 전류 한계량을 초과하지 않으면, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 점차 듀티비를 증가시켜 배터리(20)에 인가되는 충전 전류량을 증가시킨다. 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 배터리(20)에 인가되는 충전 전류의 크기가 상기 충전 전류 한계량에 도달할 때까지 듀티비를 증가시킨다.
예를 들어, 상기 충전기에서 출력하는 전류량이 상기 충전 전류 한계량을 초과하는 크기를 갖는 경우, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 배터리(20)에 인가되는 충전 전류의 크기가 상기 충전 전류 한계량에 도달할 때까지 듀티비를 증가시킨다. 특정 듀티비에서 상기 충전 전류 한계량에 도달한 경우, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 배터리가 만충전될 때까지 상기 펄스 폭 변조 신호(PWM)를 스위치 구동부(301)에 인가할 수 있다. 반대로, 충전기에서 출력하는 전류량이 상기 충전 전류 한계량 이하의 크기를 갖는 경우, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 듀티비를 100%까지 증가시킬 수 있다. 듀티비가 100% 이면, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 아날로그 프론트 엔드(211)를 이용하여 충전 스위치(201a)를 제어할 수 있다.
마이크로 컨트롤 유닛(213)은 충방전 사이클 횟수를 계산하거나 배터리(20)의 만충전량(FCC)을 계산하여 상기 배터리(20)의 열화 정도를 판단한다.
구체적으로, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 상기 충방전 사이클 횟수를 계산할 수 있다. 상기 충방전 사이클 횟수를 판단하는데 있어서, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 배터리(20)의 충전량이 초기 배터리(20)의 만충전용량에 대한 일정 비율 이상으로 충전되거나, 또는 일정 비율 이상으로 방전되면 사이클 1을 증가시키는 방법을 이용할 수도 있다. 또한 대체로 사용자는 배터리(20)를 만충전 및 만방전 상태로 반복하여 사용하지 않고 충전 및 방전을 랜덤하게 사용하므로, 총 누적 충전량 또는 총 누적 방전량이 초기 용량 또는 그 초기 용량의 일정 비율 이상의 충전용량에 도달하였을 때 사이클 1을 증가시키는 방법을 이용할 수도 있다.
한편, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 상기 배터리(20)의 만충전량(FCC)을 판단할 수 있다. 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 배터리(20)가 만충전될 때까지의 충전 용량을 누적해 계산하거나, 만충전한 배터리(20)를 완전하게 방전할 때까지의 방전 용량을 누적해 계산함으로써, 상기 계산된 만충전량(FCC)으로 전번의 만충전량(FCC)을 보정하는 방법을 이용할 수도 있다. 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 상기 배터리(20)의 만충전량(FCC)과 충전 사이클 횟수 계산은 전술한 방법 외에도 어떠한 계산방법을 사용할 수 있고, 이에 한정되지는 않는다.
제1 구동 신호(CS1)는 아날로그 프론트 엔드(211)에서 충전 스위치(201a)의 게이트에 인가되는 제어 신호이다. 제1 구동 신호(CS1)는 아날로그 프론트 엔드(211)의 내부 알고리즘에 따라 출력되거나, 마이크로 컨트롤 유닛(213)의 제어 신호에 의해 출력될 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리 팩(10a)에 충전기가 연결되면, 펄스 폭 변조 신호인 제2 구동 신호가 충전 스위치(201a)의 게이트에 인가되어 배터리에 인가되는 충전 전류의 크기를 제어한다. 상기 펄스 폭 변조 신호(PWM)의 듀티비가 100%에 도달했으나, 배터리 팩(10a)에 인가되는 충전 전류의 크기가 상기 충전 전류 한계량을 초과하지 않은 경우에 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 제1 구동 신호(CS1)를 통해 충전 스위치(201a)를 제어한다. 이때, 제2 구동 신호(CS2)는 하이-임피던스(Hi-z)상태가 된다.
제2 구동 신호(CS2)는 스위치 구동부(301)에서 출력하는 충전 스위치(201a)의 제어 신호이다. 제2 구동 신호(CS2)는 마이크로 컨트롤 유닛(213)에서 생성된 펄스 폭 변조 신호(PWM)를 레벨 시프팅 또는 증폭을 한 신호이다. 제2 구동 신호(CS2)는 전기적으로 배터리 팩(10a)에 충전기가 연결될 때 충전 스위치(201a)의 게이트에 인가된다. 제2 구동 신호(CS2)는 마이크로 컨트롤 유닛(213)에서 조정한 듀티비에 따라 배터리(20)에 인가되는 충전 전류의 크기를 조절한다. 이때 제1 구동 신호(CS1)는 하이-임피던스(Hi-z)상태가 된다.
일 실시예에 따르면, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 배터리(20)의 열화 정도를 배터리(20)의 만충전량(FCC)에 의해 결정할 수 있다. 배터리(20)는 열화가 진행될수록 만충전량(FCC)은 감소한다. 따라서 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 산정된 배터리(20)의 만충전량(FCC)과 초기 배터리(20)의 만충전량(FCC)의 차이를 통해 열화 정도를 판정할 수 있다. 판정된 열화 정도를 기초로 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 상기 충전 전류 한계량을 재설정한다. 배터리(20)의 만충전량(FCC)이 감소한 만큼 열화가 진행되는 것으로, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 감소된 배터리(20)의 만충전량에 비례하도록 상기 충전 전류 한계량을 감소시킨다. 이 경우, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 펄스 폭 변조 신호(PWM)의 듀티비를 조절하여 배터리(20)로 인가되는 충전 전류의 크기가 재설정된 상기 충전 전류 한계량을 초과하지 않도록 제어한다.
일 실시예에 따르면, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 배터리(20)의 충전 속도(C-Rate)가 일정하도록 상기 충전 전류 한계량을 설정할 수 있다. 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 열화가 진행에 따른 배터리(20)의 만충전량(FCC)을 고려하여, 상기 충전 전류 한계량에 대한 배터리(20)의 만충전량(FCC)의 비율이 일정한 값을 갖도록 상기 충전 전류 한계량을 설정한다. 이 경우 배터리(20)의 충전 속도(C-Rate)가 일정한바, 배터리(20)의 과도한 발열을 완화 또는 방지할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 배터리(20)의 열화 정도를 사이클 횟수에 의해 결정할 수 있다. 상기 사이클 횟수가 증가하면 배터리(20)의 열화가 진행된 것인바, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 사이클 횟수 증가에 반비례하도록 상기 충전 전류 한계량을 재설정한다. 즉, 사이클 횟수가 증가할수록 상기 충전 전류 한계량은 감소할 수 있다. 한편, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 배터리 관리부(203)의 상기 메모리 부에 저장해둔 사이클 횟수에 따른 상기 충전 전류 한계량에 대한 정보를 통해 상기 충전 전류 한계량을 설정할 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 구동 신호(CS1) 및 제2 구동 신호(CS2)는 공통 경로를 이용하여 충전 스위치(201a)의 게이트에 인가된다. 이 경우 어느 한 구동 신호가 충전 스위치(201a)를 제어하는 동안에는 다른 한 구동 신호는 하이-임피던스(hi-z)상태가 될 필요가 있다. 예컨대, 스위치 구동부(301)가 충전 스위치(201a)에 제2 구동 신호(CS2)를 출력하는 동안, 배터리 관리부(203)는 하이-임피던스(hi-z)상태의 제1 구동 신호(CS1)를 출력한다. 반대로, 배터리 관리부(203)가 충전 스위치(201a)에 제1 구동 신호(CS1)를 인가하는 경우, 배터리 관리부(203)는 스위치 구동부(301)는 하이-임피던스(hi-z)상태의 제2 구동 신호(CS2)를 출력한다. 이 경우, 제1 구동 신호(CS1)와 제2 구동 신호(CS2)가 인가되는 경로가 공통되더라도, 스위치 구동부(301)와 배터리 관리부(203)는 상호 구동 신호에 의한 영향을 받지 않는다.
도 3은 아날로그 프론트 엔드의 제1 구동 신호 및 스위치 구동부의 제2 구동 신호의 패턴을 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 3의 그래프는 도 2의 시간에 따라 제1 구동 신호(CS1) 및 제2 구동 신호(CS2)의 변화를 나타낸 것이다. 도 3의 그래프의 세로축은 충전 스위치(201a)를 구동시키기 위한 전압 값을 나타낸다. 상기 그래프의 가로축은 시간 경과를 나타낸다. 상기 구동 신호들이 충전 스위치(201a)에 입력되어 충전 스위치(201a)를 턴 온 또는 턴 오프시킨다.
제1 구동 신호(CS1)로 도시된 펄스 파는 배터리(20)로 인가되는 충전 전류의 크기를 조절하기 위한 충전 스위치(201a)에 대한 제어신호이다. 아날로그 프론트 엔드(211)는 충전 스위치(201a)를 제어할 때마다 별도의 마이크로 컨트롤 유닛(213)의 제어신호를 인가 받을 필요가 있다. 매 순간에 마이크로 컨트롤 유닛(213)의 제어를 받으면, 통신 부하등으로 인하여 충전 스위치(201a)의 제어 주기가 길어진다. 또한, 충전기의 출력 전류보다 상당히 낮은 충전 전류를 배터리에 인가할 필요가 있는 경우 충전 스위치(201a)가 턴 오프되는 지속시간도 길어진다. 충전 스위치(201a)가 턴 오프되는 시간이 길어지면, 전기적으로 연결된 충전기는 배터리(20)가 만충전된 것으로 오인할 수 있고, 배터리(20)가 만충전이 되지 않았으나 상기 충전기는 배터리 팩(10)로 충전 전류 출력을 중단하는 문제가 발생할 수 있다.
제2 구동 신호(CS2)로 도시된 펄스 파는 배터리(20)에 인가되는 충전 전류의 크기를 제어하기 위한 충전 스위치(201a)의 제어신호이다. 제2 구동 신호(CS2)의 펄스 파는 마이크로 컨트롤 유닛(213)로부터 생성되는 펄스 폭 변조 신호(PWM)를 기초로 한다. 제2 구동 신호(CS2)의 펄스 파는 상기 펄스 폭 변조 신호(PWM)를 레벨 시프팅 또는 증폭한 파형이다. 제2 구동 신호(CS2)는 마이크로 컨트롤 유닛(213)의 듀티비 조정에 따라 펄스 폭과 한 주기의 시간이 달라진다. 이 경우, 스위치 구동부(301)는 충전 스위치(201a)를 제어할 때마다 별도의 마이크로 컨트롤 유닛(213)의 제어신호를 인가 받을 필요가 없다. 즉, 스위치 구동부(301)는 인가 받은 펄스 폭 변조 신호(PWM)만을 기초로 배터리(20)에 인가되는 충전 전류의 크기를 제어할 수 있고, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 듀티비 조정만으로 상기 충전 전류의 크기를 정밀하게 제어할 수 있다.
한편, 제1 구동 신호(CS1)와 제2 구동 신호(CS2) 중 어느 하나 구동 신호로 충전 스위치(201a)를 제어하는 경우, 다른 하나 구동신호는 하이-임피던스(hi-z) 상태의 출력이다. 따라서 제2 구동 신호(CS2)로 충전 스위치(201a)를 제어하는 경우, 제2 구동 신호(CS2)가 아날로그 프론트 엔드에 인가되는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 다른 일 실시예에 따른 배터리 팩 내부의 개략적인 구성을 도시한다.
도 4를 참조하면, 배터리 팩(10b)은 배터리(20), 배터리 관리부(203), 스위치 부(200a), 및 스위치 구동부(301)를 포함한다. 배터리(20), 스위치 부(200a)는 도 2의 배터리(20), 스위치 부(200a)와 실질적으로 동일하고, 스위치 구동부(301)는 도 2의 스위치 구동부(301)와 각각 대응하므로 반복하여 설명하지는 않는다.
배터리 관리부(203)는 마이크로 컨트롤 유닛(213), 아날로그 프론트 엔드(211) 및 온도 센서(215)를 포함한다.
온도 센서(215)는 마이크로 컨트롤 유닛과 배터리(20)의 대전류 경로와 전기적으로 연결된다. 온도 센서(215)는 써미스터로 구성될 수 있다. 예컨대, 온도센서가 써미스터로 구성된 경우, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 써미스터의 저항 변화율을 검출하여 배터리(20)의 온도값을 검출할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 마이크로 컨트롤 유닛(213)은 배터리(20)의 열화 정도 및 온도 센서(215)에서 검출된 배터리(20)의 온도를 고려하여 충전 전류 한계값을 설정한다. 온도에 따른 상기 충전 전류 한계량은 배터리의 온도가 미리 설정한 여러 영역 중 어느 영역에 해당하는지에 따라 달리 설정된다. 예를 들면, 배터리(20)의 성능은 배터리(20)의 온도에 따라 달라지므로 여러 영역은 배터리(20)를 가용할 수 있는 온도의 범위와 관련되며, 상기 영역에 따라 상기 충전 전류 한계량은 달리 설정된다. 미리 설정된 여러 영역에 대해서는 도 5에서 후술한다.
도 5는 일 실시예에 따른 배터리 팩의 동작 방법에 따른 배터리의 충전 전류 및 온도를 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 도시된 전류 그래프는 도 4의 배터리 팩(10b)에서 배터리(20)의 온도에 따른 도 1을 참조하여 설명한 상기 충전 전류 한계량을 표시한 것이다. 도 5의 전류 그래프는 배터리(20)의 충전 전류 한계량을 표시하고, 상기 충전 전류 한계량이 0인 영역은 배터리(20)로 유입되는 충전 전류가 차단되는 온도 영역이다.
일 실시예에 따른 배터리(20)의 온도 변화에 따라 상기 충전 전류 한계량을 설정하는 방법에 대해 설명한다. 각 영역은 온도에 따른 배터리(20)의 열화의 진행 속도를 기초로 구분된다. 배터리(20)는 충전을 하는 온도에 따라 열화의 진행 속도가 달라지므로 각 영역에 따라 배터리(20)의 충전 전류량을 달리 설정할 필요가 있다. 한편, 제1 기준값(I1)은 배터리(20)의 온도를 고려하지 않고 배터리(20)의 열화 정도에 따라 설정된 상기 충전 전류 한계량을 말한다.
제1 영역(ST1)은 배터리(20)의 온도가 제1 온도(T1)미만의 저온 영역이다. 상기 제1 온도(T1)는 영하 30도 내지 영하 10도 사이의 값을 갖는다. 제1 영역(ST1)에서 상기 충전 전류 한계량은 0의 값을 갖는 것으로 도시되는데, 제1 영역(ST1)에서 배터리(20)의 충전은 배터리(20)의 열화의 진행을 가속화시키기 때문이다. 즉, 배터리 관리부(203)는 상기 그래프에 도시된 바와 같이 상기 충전 전류 한계량을 0으로 설정하여 배터리(20)의 충전 전류를 차단시킨다.
제2 영역(ST2)은 배터리(20)의 온도가 제1 온도(T1) 이상이고 제2 온도(T2) 미만인 구간이다. 상기 제2 온도(T2)는 영하 10도 내지 영상 5도 사이의 값을 갖는다. 제2 영역(ST2)은 배터리(20)의 열화의 진행을 가속화시킬 수 있는 저온구간이지만, 일정 크기 미만의 전류량으로 충전 속도(C-Rate)를 낮춰 배터리(20)를 충전하면 열화의 진행을 가속화시키지 않을 수 있다. 그래프에 도시된 상기 일정 크기 미만의 전류량은 제1 기준값(I1)에 종속된 크기로 제1 기준값(I1)에 따라 달라지며, 제1 기준값(I1)의 특정 백분율의 값을 갖도록 설정된다. 이때 제2 기준값(I2)은 상기 일정 크기 미만의 전류량을 말한다. 한편, 배터리(20)의 상태 및 특성에 따라 상기 특정 백분율은 달리 설정될 수 있다.
이와 달리, 배터리(20) 팩이 충전 전류의 크기를 조절할 수 없는 경우, 제2 영역(ST2)에서 상온을 기준으로 설정된 충전기의 충전 전류로 충전하면 배터리(20)의 열화의 진행 속도는 급격히 증가한다.
제3 영역(ST3)은 배터리(20)의 온도가 제2 온도(T2) 이상이고 제3 온도(T3) 미만인 영역이다. 상기 제3 온도(T3)는 영상 5도 내지 영상 10도 사이의 값을 가질 수 있다. 제3 영역(ST3)은 온도가 상승할수록 배터리(20)의 성능이 점차 회복되는 영역이다. 따라서, 그래프에 도시된 상기 충전 전류 한계량은 배터리(20)의 온도의 변화에 따라 비례하도록 도시된다. 구체적으로, 배터리(20)의 열화의 진행을 최소화하기 위해, 제3 영역(ST3)에서 배터리 관리부(203)는 배터리(20)의 온도의 증감에 따라 상기 충전 전류 한계량을 증가 또는 감소시켜 설정한다. 다시 말하자면, 배터리(20)의 온도가 제3 온도(T3)에 도달하면, 배터리 관리부(203)는 상기 충전 전류 한계량을 상기 제1 기준값(I1)으로 설정한다.
제4 영역(ST4)은 배터리(20)의 온도가 제3 온도(T3) 이상 제4 온도(T4) 미만의 상온 영역이다. 상기 제4 온도(T4)는 영상 10도 내지 영상 40도 사이의 값을 가질 수 있다. 제4 영역(ST4)은 배터리(20)를 무리없이 가용할 수 있는 영역으로, 온도에 따른 상기 충전 전류 한계량을 달리 설정하지 않아도 된다. 따라서 그래프에 도시된 상기 충전 전류 한계량은 상기 제1 기준값(I1)의 일정한 값을 갖는 것으로 도시된다. 다시 말하자면, 제4 영역(ST4)에서 배터리 관리부(203)는 온도 변화와 관계없이 상기 충전 전류 한계량을 제1 기준값(I1)으로 설정할 수 있다.
제5 영역(ST5)은 배터리(20)의 온도가 제4 온도(T4) 이상이고 제5 온도(T5) 이하인 영역이다. 상기 제5 온도(T5)는 영상 40도 내지 영상 60도 사이의 값을 가질 수 있다. 제5 영역(ST5)은 온도가 상승할수록 배터리(20)의 성능이 저하되는 영역이다. 따라서, 그래프에 도시된 상기 충전 전류 한계량은 배터리(20)의 온도의 변화에 반비례하는 값을 갖는 것으로 도시된다. 다시 말하자면, 제5 영역(ST5)에서 배터리 관리부(203)는 배터리(20)의 온도가 증가하면 상기 충전 전류 한계량을 감소시키고, 배터리(20)의 온도가 감소하면 상기 충전 전류 한계량을 증가시켜 설정한다. 이로써, 상기 충전 전류 한계량을 배터리(20)의 온도의 증가에 따라 감소시켜 배터리(20)의 열화의 진행을 최소화시킬 수 있다. 한편, 배터리(20)의 온도가 제5 온도(T5)에 도달하면, 배터리 관리부(203)는 상기 충전 전류 한계량을 0으로 설정하여 배터리(20)에 인가되는 충전 전류를 차단시킨다.
제6 영역(ST6)은 배터리(20)의 온도가 제5 온도(T5)를 초과하는 고온영역이다. 그래프에 도시된 상기 충전 전류 한계량은 0의 값을 갖도록 도시되는데, 제6 영역(ST6)에서 배터리(20)의 충전은 배터리(20)의 열화의 진행을 급속도로 가속화시키기 때문이다. 따라서, 제6 영역(ST6)에서 배터리 관리부(203)는 배터리(20)의 충전 전류를 차단시킨다.
도 6은 일 실시예에 따른 배터리 팩의 동작 방법에 따른 배터리의 용량과 충전 속도(C-Rate)를 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 고정된 전류로 배터리(20)를 충전하는 경우와, 도 2에 도시된 배터리 팩(10)을 충전하는 경우에 점차 배터리(20)의 열화가 진행되는 경우 충전 속도(C-Rate)를 비교하여 도시한 그래프이다. 도 6에 도시된 위쪽 그래프는 배터리(20)의 열화가 진행됨에 따른 배터리(20) 용량 및 충전 속도(C-Rate)를 도시하고, 아래쪽 그래프는 배터리(20)의 열화가 진행됨에 따른 충전 전류 한계량을 도시하고 있다.
배터리(20)는 충전과 방전의 횟수가 증가할수록 열화가 진행되어 배터리(20)의 만충전량(FCC)이 감소하게 된다. 배터리(20)의 충전 속도(C-Rate)는 배터리(20)의 충전 전류의 크기에 대한 배터리(20)의 만충전량(FCC)으로 나타낼 수 있다. 따라서 배터리(20)가 고정된 전류로 충전되면, 배터리(20)의 열화가 진행될수록 배터리(20)의 만충전량(FCC)은 감소하지만 배터리(20)에 인가되는 충전 전류의 크기는 일정하므로 상기 충전 속도(C-Rate)는 증가하게 된다.
상기 그래프의 제1 선(L1)은 배터리(20)의 만충전량(FCC)은 점차 감소하는 것으로 도시되어 있다. 배터리(20)의 충방전 횟수가 증가하면, 배터리(20)는 성능이 저하되며 배터리(20)의 만충전량(FCC)이 감소된다.
상기 그래프의 제2 선(L2)은 배터리(20)의 충방전 횟수가 증가해도 배터리(20)의 충전 속도(C-Rate)는 일정한 값으로 유지되는 것으로 도시되어 있다. 배터리(20)의 충전 속도가 일정함은 배터리(20)에 인가되는 충전 전류에 대한 배터리(20)의 용량의 비율이 일정한 값으로 유지될 수 있다. 이 경우, 배터리(20)가 열화되면 배터리(20)의 용량이 감소한바 배터리 관리부(203)는 초기의 배터리(20) 충전 속도가 유지되도록 상기 충전 전류 한계량을 설정할 수 있다. 예를 들면, 배터리(20) 용량이 2000mAh이고 충전기의 정격 출력 전류의 크기가 1000mA라 하면, 상기 배터리(20)의 충전 속도(C-Rate)는 0.5C가 된다. 배터리(20)의 충방전 횟수 증가로 열화되어 배터리(20) 용량이 1600mAh로 줄어들면, 배터리 관리부(203)는 배터리(20)에 인가되는 전류를 1000mA에서 800mA로 감소시켜 배터리(20)의 충전 속도(C-Rate)가 0.5C로 일정하도록 유지시킬 수 있다. 배터리(20)의 충전 속도(C-Rate)가 일정하면 배터리(20)의 과도한 발열을 방지할 수 있고 배터리(20)를 안정적으로 충전할 수 있다.
상기 그래프의 제3 선(L3)은 배터리(20)의 열화가 진행되어도 배터리(20)의 충전 속도(C-Rate)가 일정 값을 갖도록 하는 충전 전류 한계량의 변화를 도시한다. 배터리 관리부는 배터리의 충방전 횟수가 증가하면 충전 전류 한계량을 낮추어 상기 충전 전류 한계량에 대한 상기 배터리의 만충전량(FCC)의 비율이 일정한 값을 갖도록 한다.
상기 그래프의 제4 선(L4)은 배터리(20)의 충방전 횟수가 증가하면 배터리(20)의 충전 속도(C-Rate)도 증가하는 것으로 도시되어 있다. 이는 배터리(20) 팩이 열화의 진행 정도에 따라 배터리(20)에 인가되는 충전 전류의 크기를 조절할 수 없어 고정된 전류로 배터리(20)를 충전하는 경우이다. 예를 들면, 배터리(20)의 충방전 횟수가 증가로 배터리(20)가 열화되어 배터리(20) 용량이 1600mAh로 줄어들고 충전 전류가 1000mA로 일정하면, 배터리(20)의 충전 속도(C-Rate)는 0.625C로 증가하게 된다. 충전 속도(C-Rate)가 증가하면 배터리(20)의 발열이 심해지게 되어 배터리(20)의 열화의 진행을 가속화시키는 원인이 된다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 수 있다. 그러므로 상기 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
20: 배터리 21: 배터리 셀
200: 스위치 부 201: 충전 스위치
202: 방전 스위치 203: 배터리 관리부
211: 아날로그 프론트 엔드
213: 마이크로 컨트롤 유닛
215: 온도 센서 301: 스위치 구동부
CS1: 제1 구동 신호 CS2: 제2 구동 신호

Claims (14)

  1. 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리;
    충전 및 방전 전류가 흐르는 대전류 경로상에 배치되는 충전 스위치 및 방전 스위치를 포함하는 스위치 부; 및
    상기 배터리의 전압 및 전류를 모니터링하고, 상기 배터리의 전압에 기초하여 상기 배터리의 충전 및 방전을 제어하기 위해 상기 충전 스위치 및 상기 방전 스위치에 제1 구동 신호를 출력하는 배터리 관리부;
    상기 배터리 관리부의 제어 신호에 따라 상기 충전 스위치를 구동하기 위한 제2 구동 신호를 출력하는 스위치 구동부;
    를 포함하고,
    상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 열화 정도에 기초하여 충전 전류 한계량을 설정하고, 상기 배터리의 충전 전류의 크기가 상기 충전 전류 한계량 이하가 되도록 상기 스위치 구동부를 이용하여 상기 충전 스위치를 제어하는 배터리 팩.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 상기 배터리가 열화될수록 상기 배터리의 충전 전류 한계량을 감소시키는 배터리 팩.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 충전 전류의 크기에 따라 가변하는 듀티비를 갖는 펄스 폭 변조 신호를 상기 제어 신호로서 상기 스위치 구동 제어부에 출력하는 배터리 팩.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 충전 전류의 크기가 상기 충전 전류 한계량을 초과하면 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티비를 감소시키고,
    상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 충전 전류의 크기가 상기 충전 전류 한계량보다 작으면 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티비를 증가시키는 배터리 팩.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티비가 100%에 도달하면, 상기 충전 스위치를 턴 온 시키기 위한 턴 온 신호를 상기 제1 구동 신호로서 출력하고, 상기 스위치 구동부가 하이-임피던스(hi-Z) 상태의 상기 제2 구동 신호를 출력하도록 상기 스위치 구동부를 제어하는 배터리 팩.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티비가 100% 미만인 경우, 하이-임피던스(hi-Z) 상태의 상기 제1 구동 신호를 출력하고, 상기 스위치 구동부가 상기 펄스 폭 변조 신호의 듀티비에 대응하는 듀티비를 갖는 상기 제2 구동 신호를 출력하도록 상기 스위치 구동부를 제어하는 배터리 팩.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는,
    상기 배터리의 전압 및 전류를 감지하고, 상기 충전 스위치 및 상기 방전 스위치에 제1 구동 신호를 출력하는 아날로그 프론트 엔드; 및
    상기 배터리의 전압 및 전류에 기초하여, 상기 아날로그 프론트 엔드 및 상기 스위치 구동부를 제어하는 마이크로 프로세서 유닛을 포함하는 배터리 팩.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 상기 배터리가 열화되더라도 상기 배터리의 충전 속도(C-rate)가 기준 충전 속도를 초과하지 않도록 상기 배터리의 충전 전류 한계량을 설정하는 배터리 팩.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 만충전량(배터리의 만충전량(FCC))에 기초하여 상기 배터리의 열화 정도를 결정하는 배터리 팩.
  10. 제8 항에 있어서
    상기 배터리의 충전 전류 한계량은 상기 배터리의 만충전량(배터리의 만충전량(FCC))에 비례하는 배터리 팩.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 충방전 사이클 횟수에 기초하여 상기 열화 정도를 결정하는 배터리 팩.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 배터리의 온도를 감지하는 온도 센서를 포함하는 배터리 팩.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 열화 정도 및 상기 배터리의 온도에 기초하여 상기 충전 전류 한계량을 설정하는 배터리 팩.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 배터리 관리부는 상기 배터리의 온도가 상온일 때 상기 충전 전류 한계량을 제1 기준값으로 설정하고, 상기 배터리의 온도가 제1 임계 온도와 제2 임계 온도 사이일 때 상기 충전 전류 한계량을 제2 기준값으로 설정하며,
    상기 제2 기준값은 상기 배터리의 열화 정도에 기초하여 설정되는 상기 제1 기준값에 종속적으로 결정되는 배터리 팩.
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